Meta Studio：全面的超透镜设计、仿真和版图解决方案

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-27 08:00:00

引言
超透镜技术在光学领域中展现出巨大潜力，在成像、传感和通信等多个领域带来变革。为了促进这种先进光学元件的设计和实现，逍遥科技开发了Meta Studio软件套件来简化超透镜的设计过程。本文将指导您了解Meta Studio的主要特性和功能，展示如何利用该软件创建高效且有效的超透镜设计。

Meta Studio简介
Meta Studio是集成解决方案，将超透镜设计的各个方面整合在一起，从初始概念到最终版图生成。该软件融合了多种先进算法和理论模型，包括粒子群优化算法、物理光学、傅里叶光学、角谱衍射、时域有限差分法（FDTD）和严格耦合波分析（RCWA）。

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图1：Meta Studio中使用的物理光学角谱衍射方法示意图。

Meta Studio的核心优势在于能够简化复杂的设计过程，使工程师和研究人员更容易使用。通过利用物理光学方法进行相位设计，并对超原子结构进行严格的数值模拟，该软件确保了超透镜设计的准确性和效率。

Meta Studio的主要功能
Meta Studio提供了全面的超透镜设计工具，包括：
1. 相位设计：用户可以为各种超透镜应用创建自定义相位分布。
2. 超原子结构设计：用户可以设计和优化构成超透镜的各个超原子结构。
3. 焦平面和传播平面场分布：Meta Studio提供了不同平面上光场分布的详细计算。
4. GDS导出：软件可以生成符合行业标准的GDS文件，用于制造目的。

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图2：使用Meta Studio设计的不同超表面器件示例。

这些功能使得创建各种超表面器件成为可能，包括双曲相位透镜、超分辨率聚焦透镜、无衍射光束相位表面和准直器。

Meta Studio的设计工作流程
Meta Studio的典型设计工作流程包括以下几个关键步骤：
1. 确定设计目标：指定超透镜所需的功能和性能指标。
2. 超原子参数设计：设置超原子的结构类型、几何参数和材料属性。
3. 优化超原子库：自动模拟和选择特定材料和频率下的最佳超原子结构。
4. 目标相位设计：根据所需功能设计或优化相位分布。
5. 仿真和验证：对排列好的超表面进行光学仿真，验证其性能是否达到设计目标。

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图3：Meta Studio中超表面设计过程的流程图。

对于更高级的应用，Meta Studio还支持逆向设计过程：
1. 定义优化成本函数：制定包含所需性能指标的目标函数。
2. 初始超表面设计：使用超原子库创建初始设计。
3. 正向仿真和评估：进行仿真并评估成本函数。
4. 梯度计算和设计更新：计算梯度并迭代更新设计。
5. 最终验证：一旦设计满足标准，进行最终仿真以验证结果。

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图4：Meta Studio中超表面逆向设计过程的流程图。

案例研究
为了展示Meta Studio的功能，让我们来看三个使用该软件创建的超表面设计案例。
1. 双曲相位透镜
设计了一个具有以下参数的双曲相位透镜：

波长：633 nm

超表面直径：30λ

焦距：10λ

超原子周期：320 nm

4级离散相位控制

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图5：双曲相位透镜的器件版图和聚焦示意图。

设计过程包括相位设计、超原子结构优化和GDS文件导出。结果使用Ansys FDTD仿真进行验证，显示Meta Studio的预测与全波仿真结果高度一致。

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图6：双曲相位透镜的Meta Studio结果与FDTD仿真的对比。

2. 无衍射锥透镜
创建了一个具有以下规格的无衍射锥透镜：

波长：633 nm

超表面直径：30λ

锥角：45°

超原子周期：320 nm

4级离散相位控制

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图7：无衍射锥透镜的器件版图和聚焦示意图。

设计过程与双曲透镜类似，包括相位设计、超原子优化和GDS导出。FDTD仿真再次确认了Meta Studio结果的准确性。

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图8：无衍射锥透镜的Meta Studio结果与FDTD仿真的对比。

3. 准直器
设计了一个具有以下参数的超表面准直器：

波长：905 nm

超表面直径：28λ

出射角：13°

光源位置：-175 μm（透镜位于0处）

超原子周期：450 nm

4级离散相位控制

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图9：超表面准直器的器件版图和准直示意图。

准直器设计展示了Meta Studio处理更复杂光学功能的能力。使用点光源的FDTD仿真验证了结果，展示了出色的准直性能。

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图10：Meta Studio和FDTD仿真得到的准直波前相位对比。

结论
Meta Studio为超表面器件的设计、仿真和版图生成提供了强大且用户友好的平台。通过集成先进算法、物理模型和优化技术，使研究人员和工程师能够高效地创建复杂的超透镜设计。

所展示的案例研究证明了Meta Studio在各种超表面应用中的多功能性和准确性。从简单的聚焦透镜到复杂的无衍射光束和准直器，该软件提供了与严格的全波仿真高度一致的可靠结果。

随着超表面领域的不断进步，Meta Studio在加速创新和缩小理论概念与实际实现之间的差距方面将发挥重要作用。无论您是在研究成像系统、光束整形还是新型光学器件，Meta Studio都提供了全面的解决方案，以简化您的超表面设计工作流程。

我们诚挚欢迎您申请试用Meta Studio软件，我们期待听到您的意见和建议，以确保Meta Studio能够更好地满足超表面设计社群的需求。无论您是经验丰富的研究人员还是刚刚接触这一领域的新手，您的观点都将对我们的开发过程产生重要影响。请通过我们的官方网站或联系我们的技术支持团队来申请试用版本，让我们携手推动超表面技术的发展。

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